基于经验加速度的低轨卫星轨道预报新方法

研究将定轨过程中的经验加速度应用于地球低轨卫星轨道预报的新方法. 利用GPS伪距观测数据和简化动力学最小二乘批处理方法对地球低轨卫星定 轨, 其中卫星位置、速度及大气阻力系数和辐射光压系数可以直接用于轨道预报. 作为简化动力学最重要特征的经验加速度呈现准周期、余弦曲线特点, 可通过 傅里叶级数拟合建模. 确定性动力学模型与补偿大气阻力模型误差的切向经验 加速度级数拟合模型组成增强型动力学模型用于提高轨道预报精度. 应用 GRACE-A星载GPS伪距观测数据和IGS超快星历定轨并进行轨道预报, 结果表明 轨道预报初值位置精度达到0.2m, 速度精度达到1×10-4m·s-1, 预报3天位置精度优于60m, 比只利用确定性动力学模型进行预报精度平 均提高2.3倍. 先定轨后预报的模式可用在星上自主精确导航系统中.      

基于双频GPS观测的简化动力学最小二乘批处理精密定轨

星载双频GPS载波相位和伪距观测量已成为低轨卫星获取精确三维位置和速度信息的主要方式. 本文以非差消电离载波相位和伪距组合作为观测量,应用简化动力学最小二乘批处理方法进行地球低轨卫星的精密定轨,并给出完整定轨流程. 采用逐段常量的经验加速度对动力学模型误差进行补偿,描述了经验加速度敏感矩阵及稀疏带状矩阵求逆的有效计算方法. 利用GRACE-A卫星GPS观测数据对定轨位置精度进行分析,结果显示,三维位置定轨精度优于5cm,经验加速度在径向、切向和法向上的补偿水平不超过40nm·s-2,大气阻力系数和辐射光压系数的估计值符合物理实际,星载接收机钟差大致呈线性并具有短周期小波动.      

钟差和动力学参数联合约束下的北斗卫星轨道快速确定

受地球非球形引力、第三体摄动和太阳光压等摄动因素的影响,导航卫星位置存在长周期变化趋势,需要定期对导航卫星进行轨道机动,以保持卫星轨位和导航服务区.导航卫星机动后的定轨,特别是GEO卫星,其频繁轨控后的轨道快速确定问题,是制约卫星可用度和导航系统服务性能的重要因素.在基于伪距相位数据的轨道测定中,轨道与钟差的统计相关是制约卫星轨道快速确定的关键因素,特别是在观测弧段短的情况下,待估参数之间的相关性更强,动力学参数估计结果严重失真会导致轨道预报精度衰减明显.当卫星钟差与测站钟差通过外部手段高精度测定后,可以减少待估参数的估计,同时利用长弧定轨的动力学与运动学参数先验信息,对短弧定轨模式进行参数约束,卫星定轨精度将有很大的提升空间.通过钟差与力学参数的联合约束,实现了北斗卫星短弧快速定轨,解决了卫星机动后的轨道快速确定问题,SLR评估的卫星机动后4 h定轨外符视向精度优于0.71 m,比常规方法提高了3倍,预报1 h轨道视向精度为1.89 m,用户等效距离误差(UERE)精度达到1.85 m.     

基于机动力模型的GEO卫星恢复期间定轨

北斗卫星导航系统(BDS)中GEO卫星频繁的轨道机动对高精度、实时不间断的导 航服务需求提出了更高要求, 如何在短弧跟踪条件下提高GEO卫星轨道快速 恢复能力, 是提升导航系统服务精度的关键因素. 针对该问题, 本文提出了基 于机动力模型的动力学定轨方法, 尝试利用高精度的C波段转发式测距数据, 辅 以机动期间的遥测遥控信息建立机动力模型, 联合轨控前后的观测数据进行动 力学长弧定轨. 利用BDS中GEO卫星实测数据进行了定轨试验与分析, 结果表明, 恢复期间需要采用解算机动推力的定轨方法, 联合机动前、机动期间和机 动后4h数据定轨的轨道位置精度在20m量级, 径向精度优于2.5m. 该方 法克服了短弧跟踪条件下动力学法定轨和单点定位中的诸多问题, 提供了解决 GEO卫星机动后轨道快速恢复问题的技术方法.      

基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨

提出基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨算法,利用2005-12-09—10两颗GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星的GPS（Global Positioning System）实测数据进行实时相对定轨试验计算,采用JPL（Jet Propulsion Laboratory）轨道对试验结果外部检核,结果表明:①自适应滤波相对定轨通过自适应因子,可以较好地平衡编队卫星的观测信息和相对动力学信息,其相对定轨结果精度优于Kalman滤波相对定轨结果;②自适应滤波相对定轨结果随着星间基线缩短而精度提高;③两颗GRACE卫星采用单频伪距和广播星历进行自适应滤波相对定轨,可以得到精度优于6cm的星间基线。     

精密GPS卫星钟差的改正和应用

分析了GPS卫生钟差的变化特性，探讨了利用GPS地面跟踪站的观测数据估算GPS卫星钟差的可行性，建立了相应的算法和软件系统，并把由地面跟踪站的实测数据估算的卫星钟差用于星载GPS定轨计算，得到优于1m的定轨精度。     

“嫦娥二号”小行星探测试验定轨计算与分析

嫦娥二号于2012-04-15开展对图塔蒂斯小行星的探测试验,至2012-12-13与图塔蒂斯交会,共飞行243 d,这是我国对小行星的首次探测.因为未安装星载导航设备,CE-2 在小行星探测试验的全过程均基于地基USB（Unified S-Band）与甚长基线干涉测量技术（VLBI,Very Long Baseline Interferometry）测量实现导航.对小行星探测期间的定轨计算及精度分析进行了讨论,对我国新建深空站的测量数据进行了分析.针对交会前最后一次轨道机动后,仅有13 d控后数据的现状,提出了快速轨道重建策略.计算结果表明该策略不仅可以有效改进定轨计算精度,还可以实现轨控速度增量的标定.基于重叠弧段的轨道分析比较表明,单独使用USB长弧数据计算可以获得10 km的定轨精度,综合USB与VLBI数据联合定轨,定轨精度可以提高1倍.     

双站跟踪模式下“嫦娥4号”中继星定轨仿真分析

位于地月平动点的探测器因为较差的观测几何,需要地基USB/UXB与天文VLBI长时间的联合跟踪数据获取稳定精确的轨道。提出了利用中国深空网双站共视跟踪平动点探测器,获取双程、三程测距及VLBI测量数据,解算探测器精确轨道的模式。以"鹊桥"卫星为分析对象,首先评估中国深空网对"鹊桥"的跟踪能力。然后分析不同观测组合模式下的定轨计算精度。结果表明:双站共视约束下,深空站每天对"鹊桥"跟踪弧长大于5 h;使用长于6 h的双站跟踪数据进行定轨,系统差的解算更有利于轨道精度提升;跟踪时长超过2天时,必须在轨道解算的同时估计光压系数,并有望实现优于百米的轨道精度。     

导航卫星的地面站定轨算法

导航星座轨道的长期保持是星座导航系统运营管理的重要组成部分,而现有的导航卫星地面定轨算法又存在精度不高或计算量大不适合工程应用的问题。为此,研究了单向、被动测量模式的导航卫星地面定轨算法。基于单向伪距观测,将导航卫星钟差参数作为状态量,推导了滤波算法的状态方程、测量方程,并最终建立了滤波器模型。以不同轨道面的4颗GPS导航卫星为例进行了2天的仿真试验,考虑卫星的可见性仿真中加入了测量中断,并设计在测量恢复后重启滤波算法。仿真结果表明,4颗卫星的轨道位置估计精度可以达到米级,钟差随机偏差的估计精度可以达到纳秒级,并且在滤波中断后重启滤波器,仍然可以达到此估计精度,表明此定轨算法具有收敛性和稳定性。     

基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜定位研究

潜艇只在必要时刻才浮出水面，对实时通信和导航定位造成极大制约。蓝绿激光具有深水穿透性高、衰减系数低等优势，已在机载和星载平台对潜艇通信中得到验证。借鉴GNSS导航信号产生原理，结合蓝绿激光通信测距一体化与低轨卫星自身精密定轨，提出了基于蓝绿激光通信的低轨卫星对潜定位算法。通过在激光通信中增加载波相位调制，实现潜艇激光接收器的伪距测量，联合其高程测量信息实现水下定位。以一带一路海域，特别是中国南海区域为服务对象，优化星座参数设计了3颗卫星组成的低轨稀疏星座。潜艇在星座覆盖区域内保持静态，间隔1~3min完成至少两次通信测距和导航电文接收，联合两组观测数据、精密星历及高程测量信息进行定位解算。仿真结果显示，在卫星过境期间，考虑卫星定轨精度，激光在空气、水下传播误差等因素，潜艇可在水下实现X、Z方向定位误差优于100m，Y方向误差约100~150m的高精度定位，对提升潜艇的战场作战能力具有意义。     

基于单频星载GPS数据的低轨卫星精密定轨

为满足搭载单频GPS接收机低轨卫星的精密定轨需求以及深化单频定轨研究,文中解决了单频星载GPS数据的周跳探测问题,并利用“海洋二号”（HY-2A）卫星及“资源三号”（ZY-3）卫星的单频星载GPS实测数据采用两种方法确定了二者的简化动力学轨道,并通过观测值残差分析、与双频精密轨道比较、激光测卫数据检核等方法对所得轨道精度进行评定。结果表明,在不考虑电离层延迟影响的情况下,HY-2A卫星定轨精度为2~3dm,ZY-3卫星为1m左右;而采用半和改正组合消除电离层延迟一阶项影响后,二者定轨精度均显著提高,HY-2A卫星三维精度提高至1dm左右,ZY-3卫星提高至1~2dm。文章的研究成果表明,搭载单频GPS接收机的低轨卫星也可获得厘米级的定轨精度。     

基于GPS对地球同步轨道自动转移飞行器进行导航的可行性分析

研究利用GPS对地球同步轨道自动转移飞行器进行导航的方法,分析了飞行器在转移过程中可用的GPS卫星数目,在地心惯性坐标系下建立了惯导误差和GPS的伪距、伪距变率模型,采用渐消因子的自适应卡尔曼滤波对飞行器进行组合导航.仿真结果表明,可用GPS卫星的数目随着飞行器高度的增高而减少,因此无法利用单一历元观测信息直接对飞行器导航.但采用多历元观测信息和动力学模型相结合的滤波方法可对飞行器进行组合导航,当飞行器初始位置偏差为1 km,初始速度偏差为1 m/s,伪距及伪距变率观测均方差分别为10 m和0.05 m/s时,地球同步轨道自动转移飞行器的最终位置偏差小于50 m,速度偏差小于0.02 m/s.      

基于单站CCD漂移扫描光电设备的同步轨道目标测定轨

地基光电观测在同步轨道目标监测领域具有重要作用.为评估单站光电设备对同步轨道目标的实际测定轨能力,利用上海天文台佘山站1.56m望远镜,采用CCD漂移扫描光电技术,对3颗北斗同步卫星开展试验观测,基于卫星精密星历评估目标的测定轨外符精度.结果表明:同步轨道目标的天文定位在方位和俯仰方向上的外符精度均好于0.3";在单圈次观测情况下,尽管轨道预报精度较低,约为数千米量级,但是观测弧段内定轨精度可优于百米;在多圈次观测情况下,轨道改进效果显著,定轨精度优于50m,外推至4d的轨道预报精度为百米量级.此外,定量评估了每晚不同观测时间跨度下同步轨道目标的测定轨精度,为单站光电设备实际应用提供了参考.      

Orbit determination of BDS-3 satellite based on regional ground tracking station and inter-satellite link observations

The BeiDou global navigation satellite system (BDS-3) has established the Ka-band inter-satellite link (ISL) to realize a two-way ranging function between satellites, which provides a new observation technology for the orbit determination of BDS-3 satellites. Therefore, this study presents a BDS satellite orbit determination model based on ground tracking station (GTS) observations and ISL ranging observations firstly to analyze the impact of the ISL ranging observations on the orbit determination of BDS-3 satellites. Subsequently, considering the data fusion processing, the variance component estimation (VCE) algorithm is applied to the parameter estimation process of the satellite orbit determination. Finally, using the measured data from China’s regional GTS observations and BDS-3 ISL ranging observations, the effects of ISL ranging observations on the orbit determination accuracy of BDS-3 satellites are analyzed. Moreover, the impact of the VCE algorithm on the fusion data processing is evaluated from the aspects of orbit determination accuracy, Ka-band hardware delay parameter stability, and ISL ranging observation residuals. The results show that for China’s regional GTSs, the addition of BDS-3 ISL ranging observations can significantly improve the orbit determination accuracy of BDS-3 satellites. The observed orbit determination accuracy of satellite radial component is improved from 48 cm to 4.1 cm. In addition, when the initial weight ratio between GTS observations and ISL ranging observations is not appropriate, the various indicators which include orbit determination accuracy, ISL hardware delay, and ISL observation residuals were observed to have improved after the adjustment of the VCE algorithm. These results validate the effectiveness of the VCE algorithm for the fusion data processing of the GTS observations and ISL ranging observations.     

地球同步轨道带动态监视光学系统样机及试验观测结果

地球同步轨道上目标数量多，运动形式多样.为了保障航天活动的安全，有必要开展地球同步轨道目标的动态监测，及时掌握发生在中国专属地球同步轨道带的空间事件.2015年12月地球同步轨道带动态监视光学系统样机正式安装在中国丽江高美古观测站.2015年12月至2016年2月，利用该样机对台站上空地球同步轨道带的样本天区开展了试验观测.结果表明，样机能够对27颗地球同步轨道目标进行连续监测，其中两颗为北美航空航天司令部未编目的目标；目标天文定位的内符精度在方位上约为4"，在俯仰上约为1".利用多圈次观测结果对轨道进行改进，在无轨控发生时，24h和48h点位预报精度在方位和俯仰上分别优于9"和2".以3颗GEO目标为例，通过实测资料对轨道变化事件进行了初步分析和验证.      

Onboard orbit determination using GPS observations based on the unscented Kalman filter

Spaceborne GPS receivers are used for real-time navigation by most low Earth orbit (LEO) satellites. In general, the position and velocity accuracy of GPS navigation solutions without a dynamic filter are 25 m (1σ) and 0.5 m/s (1σ), respectively. However, GPS navigation solutions, which consist of position, velocity, and GPS receiver clock bias, have many abnormal excursions from the normal error range for space operation. These excursions lessen the accuracy of attitude control and onboard time synchronization. In this research, a new onboard orbit determination algorithm designed with the unscented Kalman filter (UKF) was developed to improve the performance. Because the UKF is able to obtain the posterior mean and covariance accurately by using the second-order Taylor series expansion through the sampled sigma points that are propagated by using the true nonlinear system, its performance can be better than that of the extended Kalman filter (EKF), which uses the linearized state transition matrix to predict the covariance. The dynamic models for orbit propagation applied perturbations due to the 40 × 40 geo-potential, the gravity of the Sun and Moon, solar radiation pressure, and atmospheric drag. The 7(8)th-order Runge–Kutta numerical integration was applied for orbit propagation. Two types of observations, navigation solutions and C/A code pseudorange, can be used at the user’s discretion. The performances of the onboard orbit determination were verified using real GPS data of the CHAMP and KOMPSAT-2 satellites. The results of the orbit determination were compared with the precision orbit ephemeris (POE) of the CHAMP and KOMPSAT-2 satellites.     

环火星测量数据处理及精密轨道确定

为支持我国首次火星探测任务取得圆满成功,宇航动力学国家重点实验室将全自主开发的精密定轨平台系统,应用于环火星轨道确定中。为满足多对象、多弧段、多中心天体的定轨需求,平台系统设计了卫星结构、测站结构、观测结构和天体结构4大基础结构,并在4大基础结构之上,设计了灵活的弧段结构和估计结构。为验证平台系统是否具备环火星定轨能力,平台系统首先使用2020年上半年跟踪火星快车实验的数据对测量模型进行了检核,得到了理论测距和实测测距偏差（11m~21m）;其次,使用2009年实测双程测速和三程测速数据定轨,单独使用双程测速定轨,轨道与欧空局精密星历位置偏差最大不超过100m,测速残差的均方根（Root Mean Square, RMS）为0.0137(cm/s)。使用三程测速定轨,位置偏差不超过250m,三程测速RMS为0.0119（cm/s）;最后,使用两天三站测距仿真进行了自定轨验证,初轨和随机差都基本收敛回仿真初值。结果显示,宇航动力学国家重点实验室精密定轨系统能够满足我国首次火星探测任务的基本需求。